Badania nienormatywne

Niestandardowe metody badania zużycia erozyjnego ukierunkowane są na odwzorowanie rzeczywistych warunków eksploatacji elementów konstrukcyjnych oraz części maszyn. Ze względu na występowanie erozji w różnych środowiskach eksploatacyjnych badania nienormatywne związane z rzeczywistymi problemami badawczymi dostosowane są do konkretnych aplikacji jak erozja rurociągów podczas transportu pneumatycznego, zużywanie poszycia samolotu, czy łopatek wirnika w pompie odśrodkowej²⁰⁶. Dla wielu metod niestandardowych bazę stanowią badania normatywne, które zostały zmodyfikowane w celu rozwiązania problemów badawczych. W większości metod stopień zużycia erozyjnego charakteryzuje się poprzez wyznaczenie ubytku masy erodowanej powierzchni²⁰⁷. W metodach nienormatywnych, w celu uzyskania pełnej charakterystyki zużycia oraz zidentyfikowania mechanizmów zużywania, stosowane są optyczne metody pomiaru topografii erodowanej powierzchni. Zużycie wyznaczane jest m.in. na podstawie pomiaru objętości usuniętego materiału poprzez skanowanie powstałych kraterów metodą konfokalną, mikroskopową lub w celu równoczesnej charakterystyki mechanizmów zużywania skaningową mikroskopią elektronową²⁰⁸. W innej grupie metod wykorzystywanych w badaniach prototypów w celu wyznaczenia stopnia intensywności zużycia erozyjnego elementy konstrukcyjne pokrywane są kilkoma warstwami farby o różnych kolorach. Podczas testów, w zależności od stopnia zużycia, poszczególne warstwy ulegają przetarciu i odsłaniają niżej położone powłoki. Różnorodność kolorów warstw, umożliwia metodą wizualną wyodrębnienie obszaru elementu konstrukcyjnego, w których zużycie erozyjne jest największe²⁰⁹ Szeroki zakres badań niestandardowych daje możliwość nie tylko identyfikacji mechanizmów, które zachodzą podczas zużywania, ale również prognozowanie odporności erozyjnej materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych oraz części maszyn w zastosowaniach specjalistycznych.

206 E. Zdravecká, J. Slota, J. Tkáčová: Erosive failure of steel pipeline by solid pulverized particles. Engineering Failure Analysis 46, 2014, s. 18–25; J. Chen, J.A. Trevarthen, T. Deng, M.S.A. Bradley, S.S. Rahatekar, K.K.K.

Koziol: Aligned carbon nanotube reinforced high performance polymer composites with low erosive wear.

Composites: Part A 67, 2014, , s. 86–95.

207 J. Chen, I.M. Hutchings, T. Deng, M.S.A. Bradley, K.K.K. Koziol: The effect of carbon nanotube orientation on erosive wear resistance of CNT-epoxy based composites. Carbon 73, 2014, , s. 421–431.

208 M. Lindroos, V. Ratia, M. Apostol, K. Valtonen, A. Laukkanen, W. Molnar, K. Holmberg, V.T. Kuokkala:

The effect of impact conditions on the wear and deformation behavior of wear resistant steels. Wear 328–329, 2015, s. 197–205; R. Liu, J. Yao, Q. Zhang, M.X. Yao, R. Collier: Effects of molybdenum content on the wear/erosion and corrosion performance of low-carbon Stellite alloys. Materials and Design 78, 2015, s. 95–106.

209 L.J.W. Graham, D.R. Lester, J. Wu: Quantification of erosion distributions in complex geometries. Wear 268, 2010, s. 1066–1071.

69

Symulację erozji uderzeniowej wywoływanej mieszaniną materiału ściernego i powietrza umożliwia metoda zaprezentowana w [104]. Badania zużycia erozyjnego przeprowadzano z wykorzystaniem śrutownicy komorowej (rys. 16). Materiał ścierny z zasobnika łączy się ze sprężonym powietrzem, następnie mieszanina wypływa z dyszy i eroduje badaną próbkę. Próbka posiada możliwość regulacji kąta pochylenia względem osi strugi. Standardowa odległość próbki od dyszy wynosi 160 mm. Prędkość cząstek erodenta może być regulowana poprzez zmianę ciśnienia sprężonego powietrza. Materiałem ściernym wykorzystywanym w testach są stalowe kulki o średnicy 100÷200 µm. Wadą metody jest brak możliwości niezależnego sterowania ilością dozowanego materiału ściernego oraz prędkością strugi, która zależy od ciśnienia sprężonego powietrza. Wraz ze wzrostem ciśnienia równocześnie wzrasta prędkość oraz wydatek ścierniwa. Po przeprowadzeniu testów próbki oczyszczane są sprężonym powietrzem. Stopień intensywności zużycia erozyjnego wyznaczany jest poprzez ubytek masy materiału erodowanego. W celu identyfikacji mechanizmów zużywania topografia powstałych kraterów obserwowana jest na skaningowym mikroskopie elektronowym²¹⁰.

Rys.16. Stanowisko badawcze erozji uderzeniowej: a) schemat ideowy, b) zdjęcie komory badawczej Źródło: na podstawie [194].

W badaniach niestandardowych przedstawionych w [49] cztery próbki umieszczane są w uchwytach zamocowanych do ramion wirnika osadzonego na wałku napędowym (rys. 17).

Po zamocowaniu próbek w gniazdach komora pomiarowa zasypywana jest materiałem ściernym. Erodentem wykorzystywanym do badań jest tlenek glinu o gramaturze 400÷600 µm. Podczas testów wirnik z próbkami wprawiany jest w ruch obrotowy z prędkością 100, 200 oraz 300 obr./min. Uchwyty próbek umożliwiają zmianę kąta pochylenia próbki w zakresie 15÷90°. Przed przeprowadzeniem testów próbki są ważone

210 L. Zhou, H. Zhang, X. Pei, K. Friedrich, C. Eger, Z. Zhang: Erosive wear of transparent nanocomposite coatings. Tribology International 61, 2013, s. 62–69.

a) b)

Wspornik próbki

Erodent Próbka

ɑ V

Sprężone powietrze Kąt natarcia ɑ

Dysza

70

z dokładnością 0,1 mg, stopień zużycia erozyjnego określa się wartością ubytku masy próbki²¹¹.

Rys. 17. Schemat ideowy stanowiska badawczego Źródło: opracowanie własne na podstawie [49].

Metoda zaprezentowana przez L. Grahama [65], umożliwia symulację zużywania wywołanego erozją szlamową (rys. 18). W zbiorniku o pojemności 3000 l umieszczona jest 7% mieszanina wody i krzemionki o średnicy cząstek 50÷200 µm. Centralnie w osi zbiornika zainstalowany jest wirnik, który obracając się miesza cząstki stałe z cieczą, tworząc jednorodną mieszaninę. Powstała mieszanina wtłaczana jest w instalację za pomocą pompy, prędkość przepływu mieszaniny kontroluje przepływomierz.

Rys. 18. Schemat stanowiska do badania erozji rur Źródło: opracowanie własne na podstawie [49].

Mieszanina przepływając przez instalację eroduje próbkę, następnie powraca do zbiornika. Próbka wykonana jest z dwóch bloków, które po złożeniu tworzą rurę kolankową o średnicy wewnętrznej 53 mm (rys. 19a). Przed przystąpieniem do testów za pomocą

211 E. Ercenk, U. Sen, S. Yilmaz: The erosive wear behavior of basalt based glass and glass–ceramic coatings.

Tribology International 52, 2012, 68, s. 94–100.

wspornik próbki próbka

materiał ścierny wirnik

śruba dociskowa napęd wirnika

próbka

pompa

przepływomierz zbiornik z mieszaniną

cieczy i ścierniwa

mieszadło napęd mieszadła

71

współrzędnościowej maszyny pomiarowej mierzona jest topografia próbek. Następnie bloki przed połączeniem pokrywane są metodą natryskową kilkoma warstwami farby, każda o innym kolorze. Podczas przepływu mieszaniny, w zależności od stopnia intensywności zużywania, zachodzi erozja poszczególnych warstw (rys. 19b). W obszarach maksymalnego odziaływania ścierniwa warstwy erodują, odkrywając materiał podłoża²¹².

Rys. 19. Próbka odwzorowująca rurę kolankową: a) po obróbce mechanicznej, przed nałożeniem farby, b) po procesie erodowania, z wyraźnymi przetarciami poszczególnych warstw farby, w miejscach maksymalnej erozji. Strzałka wskazuje kierunek przepływu mieszaniny

Źródło: [65].

Badania nienormatywne przedstawione w [178] również umożliwiają przeprowadzanie testów zużycia materiałów wywołanego erozją szlamową (rys. 20). Podczas testów materiał ścierny o masie 2,2 kg dozowany jest w sposób ciągły do leja zasypowego, w którym w połączeniu z wodą tworzy 10% mieszaninę. Materiałem ściernym wykorzystywanym do badań jest piasek kwarcowy o gramaturze 212÷300 µm. Mieszanina z leja wypływa rurą zasilającą ze stałą prędkością 60 ml/s do wirnika. W tarczy wirnika wykonane są dwa promieniowe kanały o wysokości 6,3 mm i szerokości 1 mm, w których umieszczone są próbki. Podczas testu wirnik obraca się z prędkością 5000 obr./min. Zawiesina na skutek działania siły odśrodkowej zwiększa swoją prędkość do maksymalnej wartości 24 m/s.

Wraz ze wzrostem prędkości zwiększa się siła oddziaływania cząstek ścierniwa na erodowaną powierzchnię próbki. Podczas badań przeprowadzane są testy dla dwóch par próbek, czas trwania pojedynczego testu wynosi 6 minut. Intensywność zużywania erozyjnego powierzchni próbki wyznaczana jest metodą optyczną. Głowicą 3D skanowana jest topografia krateru, następnie wyznaczana objętość usuniętego materiału²¹³.

212 L.J.W. Graham, D.R. Lester, J. Wu: op. cit., s. 1066–1071.

213 C.I. Walker, P. Robbie: op. cit. Comparison of some laboratory wear tests and field wear in slurry pumps.

Wear 302, 2013, s. 1026–1034.

a) b)

72 Rys. 20. Schemat stanowiska do badania erozji szlamowej Źródło: opracowanie własne na podstawie [178].